李道圆

(宝钢湛江钢铁有限公司厚板厂,广东 湛江 524072)

随着经济高速发展及对宽厚板产品质量要求的提高,采取轧后控制冷却技术已成为提高宽厚板产品质量的重要技术,并广泛应用于鄂钢、莱钢等钢铁厂。湛江钢铁4 200 mm中厚板轧后冷却系统,于2016年6月投入使用,由西门子奥钢联(SVAI)设计,整长24 m,由A、B、C、D等4段组成,每段6 m长。其中A、B两段为高低压通用,C、D两段为低压段。每段包含上下6对冷却集管,集管间距1 m,每个冷却集管装配2个衬胶调节蝶阀,安装方式为对夹式软密封,总装机量96个,从调节蝶阀行业技术水平现状来说,根据现有相关资料,在阀门发展的这几十年来,技术能力越来越好,调节蝶阀本身具备速度快、稳定性强、精度高的性能[1-2]。但随着时间的推移,阀门衬胶、密封等开始出现不同程度老化,带来的问题是阀门动作响应慢、流量控制精度偏差,严重影响到工艺、产品的质量[2],必须进行更换,而采购新品备件价格昂贵,对此下机的必须走修复途径。本文围绕着修复调节阀流量精度偏差大,流量过调、稳定性差等问题,进行原因分析,并采取一系列的改进措施,提高修复件调节蝶阀的控制精度。

1 衬胶调节蝶阀原理及现阶段问题

1.1 变参数PID控制器

PID控制是最早发展起来的控制策略之一,由于其算法简单、鲁棒性好及可靠性高,被广泛应用于过程控制和运动控制中。然而实际应用过程往往具有非线性、时变不确定性,特别是当控制对象存在较大的惯性、非线性、强干扰性时,常规PID控制器很难利用事先整定好的PID参数来获得较好的控制效果。为提高PID的控制性能,学者们提出了许多具有自适应性的PID控制器[3]。

PID控制算法是通过调节被控对象被测点信号的偏差量,由执行机构改变控制量大小和调节方向,使输出量达到或接近被测最优点[4],如图1所示。

图1 被控系统PID控制过程框图Fig.1 PID control process block diagram of the controlled system

1.2 衬胶调节蝶阀的控制原理

湛江钢铁4 200 mm中厚板轧后冷却系统进行了优化升级,设计了匹配衬胶调节蝶阀控制程序,采取了一种变参数的PID控制器,它根据冷却流量大小的变化来整定不同的PID参数组,整个控制过程均分为10个子控制过程,再对每个子过程利用经验法、试凑法等工业上常见方法进行参数整定。当实际流量响应慢时,根据实际增加比例值,同时注意调节积分值,在响应速度达标的同时,保证良好的稳定性,得到了很好的流量曲线,尤其在头尾遮蔽上取得了突破性的进展。采用的是双闭环控制系统。内闭环为阀门开口度闭环,外闭环为集管的流量闭环。流量设定值与实际值的偏差值输入外闭环的PID控制器,得到阀门的开口度,阀门开口度设定值与实际值的偏差值再输入内闭环的PID控制器,得到阀门的4～20 mA的模拟量信号,而阀门的开口度又会影响到实际流量值。这样,就形成了这套控制调节蝶阀动作的控制原理,见图2。

图2 调节蝶阀控制原理Fig.2 Control principle of regulating butterfly valve

现场蝶阀正常的流量曲线图,阀门响应速度快,稳定性强,在1 s左右完成大幅度的流量调整,且其最大动态流量偏差控制在10%以内,如图3所示。

图3 调节阀的流量曲线图Fig.3 Flow curves of control valve

1.3 阀门现阶段使用问题

随着时间推进,调节蝶阀的精度出现下降的趋势,从PDA数据查看流量曲线,发现流量有异常波动,在流量闭环控制时,头部遮蔽部分出现过调、偏差大、流量曲线中间部位的稳定性能较差等问题。图4的红色部分可见,进行钢板头部流量遮蔽时,流量出现过调现象,调节蝶阀无法精确快速回调。

图4 流量精度偏差大Fig.4 Large deviation of flow accuracy

对状态不好的阀进行更换,下机解体调节蝶阀后,发现阀体内部的衬胶出现老化和脱落等现象,但蝶板本体无异常磨损,较为干净,如图5所示。

图5 现场衬胶损坏Fig.5 Rubber lining damage

2 调节蝶阀修复件使用情况

2.1 修复阀门的流量试验

对此调节蝶阀进行了衬胶更换、清洗蝶阀表面污垢等维护,而蝶板与执行机构没有进行更换,保证了蝶阀结构的完整性,并进行流量试验,在相同开口度下,分别进行模拟、原装、修复件流量流阻试验测试,并进行汇总。如表1所示,修复调节阀的总体流量偏小,且阀门打开到15%开度时,流量偏差较为明显,修复后的流量整体趋势偏小,与原装阀门相比流量存在较大偏差。

表1 阀门流量试验数据Table 1 Valve flow test data

流量系数Cv:5～38 ℃温度范围的水流经阀门,两端压差为1 psi时,以美国gal/min计的流量数值,即Cv值。

根据标准《GB/T 30832—2014 阀门 流量系数和流阻系数试验方法》测试并计算流量系数Cv值与流量特性曲线。

具体见式(1):

(1)

式中:Kv为阀门流通能力;Q为被测体积流量,m3/h;ΔPv为阀门上下游取压口的压力差,kPa;ρ为流体的密度,kg/m3;ρ0为15 ℃时的水密度,kg/m3。

Cv=1.167Kv

(2)

相同条件下修复件调节阀的流量特性曲线与原装阀门进行Cv值实验,修复件的实际流量整体偏小,如图6所示。

图6 流量特性趋势曲线Fig.6 Flow characteristic trend curve

修复蝶阀上机运行时,发现阀门在预充水,流量发生异常波动,且阀门大幅度进行调整流量时,头部流量遮蔽出现过调现象,整体流量精度趋势无法受控,如图7所示。

图7 流量对比下存在异常波动Fig.7 Abnormal fluctuation under flow comparison

如图8所示,修复蝶阀应用于B2上部,实际打开动作过程中,红圈标记的部分实际反馈位置发生了跳变,且已检测到阀门已打开,但实际还没有检测到水流量。

图8 阀门位置异常跳变Fig.8 Abnormal valve position jump

2.2 原因分析

修复前调节阀衬胶损坏脱落,只对其衬胶进行更换,碟板的结构没有进行更换,按现场设计管道水压,以1 MPa的水压进行泄露测试,为保证不漏水情况下,阀门关闭时过盈量调节,阀门关闭越严,碟板与衬胶的摩擦力增大,阀门需打开的扭矩越大,就会存在动作迟缓,阀门已有开口度,但实际水流量还没有流出,造成阀门打开到15%后才开始有明显的水流量。

流阻试验时,所使用的阀门定位器为机械式的定位器,机械式弹簧定位器在使用的过程中,存在人工读取误差,阀门动作误差等因素,无法真实反馈出阀门的位置、流量,导致流量数据整体偏小。

3 解决方案及效果

3.1 解决方案

(1) 根据原装阀门密封,进行材质分析及流体尺寸测绘,进行优化改进,改善密封接触面位置。

(2) 优化衬胶材质,提高衬胶抗挤压变形能力,修正小开度流量。

(3) 更换新的衬胶后,调整好阀门关闭点的过盈量,减少蝶板与衬胶的摩擦力,修复好的调节蝶阀进行耐压、流量试验。

(4) 对于已经上机调节阀调整执行机构的机械关限位,同时现场来回动作阀门,一点点优化调整关限位,确保阀门处于最佳的关位置,减少阀门的过盈量,达到减少阀门打开的扭矩。

3.2 应用效果

经调整阀门的过盈量后,碟板与衬胶的摩擦力减小,阀门动作顺畅,无异常波动,响应速度得到了优化改善,整条曲线不仅在头部遮蔽的情况下能够快速响应,在曲线中间部位的稳定性能也很好,而稳定的流量控制曲线同时也保证了钢板良好的冷却效果,如图9所示。

图9 蝶阀动作平稳Fig.9 Butterfly valve operates smoothly

3.3 改进方向

结合下机修复调节蝶阀的损坏情况分析,阀门衬胶等零件随着使用时间变长,必将会出现不同老化损坏,对此现场必须建立完善好阀门状态跟踪精度表,做好阀门更换周期计划表。

严苛把控好修复件的备件质量,完善修复件的技术协议指标,流量调节阀动态测试:水流量实际值偏差波动在±1%范围,阀门从50%开口度到100%,在2 s内;闭环控制下水流量波动偏差在±1%范围内。

4 结论

通过对衬胶调节蝶阀修复件上机使用效果分析,在没有改变蝶板、执行机构结构的情况下,优化衬胶材质、优化过盈量,采用合适的处理方法将大大提高胶调节蝶修复件的工作效率,减少调节阀的故障率,调节蝶阀稳定的流量控制曲线,是保证钢板良好的冷却效果的基础,对生产工艺、宽厚板产品质量起着至关重要的作用。